節(jié)氣門位置傳感器電氣磨損對汽車性能影響的實(shí)驗(yàn)研究*

符欲梅 ，黃文鋒，昝昕武，張巧娥，王福強(qiáng)

(1.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;2.重慶長安汽車工程研究總院動(dòng)力研究院發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)檢驗(yàn)所，重慶400023)

節(jié)氣門位置傳感器TPS(Throttle Position Sensor)是汽車電噴系統(tǒng)中最重要的傳感器之一，主要用于檢測節(jié)氣門的開度和開關(guān)的速率，并將該信號輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU(Electrical Control Unit)，作為控制噴油脈沖寬度、點(diǎn)火正時(shí)、怠速轉(zhuǎn)速、尾氣排放的主要修正信號，同時(shí)也是空氣流量傳感器或進(jìn)氣歧管壓力傳感器的輔助信號［1－3］。

目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)氣門位置傳感器大多是基于滑變電阻原理的，當(dāng)節(jié)氣門開度發(fā)生改變時(shí)，與節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的滑動(dòng)臂帶動(dòng)電刷在陶瓷基體上的碳膜上來回滑動(dòng)，其輸出電阻與開度成一定比例關(guān)系，即可采用分壓方式獲得節(jié)氣門的開度信號。然而，在汽車長期運(yùn)行過程中，電刷在碳膜電阻上來回運(yùn)動(dòng)會(huì)造成碳膜的磨損［2］。不同的汽車長期運(yùn)行在不同的工況下，其TPS碳膜的不均勻磨損程度也會(huì)不同，使得節(jié)氣門開度值的測量出現(xiàn)偏差，影響汽車的整體性能，當(dāng)TPS碳膜磨損至一定程度時(shí)，汽車甚至?xí)霈F(xiàn)故障。

汽車長期運(yùn)行后會(huì)引起機(jī)械和電氣性能的下降。目前，國內(nèi)外的研究較多集中在因機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損而引起的整車性能下降方面，而對電噴系統(tǒng)中這些關(guān)鍵傳感器磨損引起的測量偏差所造成的汽車性能下降方面的研究卻非常少。因此，本文擬從實(shí)驗(yàn)的角度，進(jìn)行磨損前后傳感器對汽車性能影響的對比實(shí)驗(yàn)研究。

1 TPS工作原理及磨損機(jī)理分析

1.1 TPS 工作原理

節(jié)氣門位置傳感器按輸出信號的類型可以分為線性(量)輸出型、開關(guān)(量)輸出型和綜合型3種［4］。節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門體上，與節(jié)氣門聯(lián)動(dòng)，其內(nèi)部大多為滑動(dòng)電位計(jì)，當(dāng)節(jié)氣門開度發(fā)生改變時(shí)，節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)電位計(jì)上的滑動(dòng)觸點(diǎn)(即電刷)在陶瓷基體的碳膜上來回滑動(dòng)。不同的節(jié)氣門開度對應(yīng)電位計(jì)上不同的電阻值，從而將節(jié)氣門的開度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杌驅(qū)?yīng)的電壓信號并輸出到ECU［5］。

本文的研究對象為其中的線性型節(jié)氣門位置傳感器。它是一個(gè)三線傳感器［6］，如圖1(a)所示，A端從ECU中引入5V基準(zhǔn)電壓提供給碳膜電阻作為電源，C端接地，B端接傳感器的滑動(dòng)觸點(diǎn)。當(dāng)節(jié)氣門開度變化時(shí)，節(jié)氣門位置傳感器滑動(dòng)觸點(diǎn)在位于基板上的電阻膜片上移動(dòng)，傳感器電阻值發(fā)生線性變化，其對應(yīng)的電壓也發(fā)生線性變化，根據(jù)ECU輸出的電壓值，即可確定節(jié)氣門開度。

圖1 線性型節(jié)氣門位置傳感器工作原理圖

由于線性節(jié)氣門位置傳感器碳膜電阻上每點(diǎn)的電壓通過滑動(dòng)觸點(diǎn)探測，輸出與節(jié)氣門開啟角度成正比的電壓信號，因此它可以提供任意開度的節(jié)氣門信號。

1.2 磨損機(jī)理分析

從原理分析可知，節(jié)氣門位置傳感器對節(jié)氣門開度的檢測是根據(jù)碳膜片上電阻變化來確定的。在汽車長期運(yùn)行過程中，電刷在碳膜電阻上來回運(yùn)動(dòng)會(huì)造成碳膜的磨損，并且碳膜磨損程度還受其長期運(yùn)行工況的影響。不同的汽車長期運(yùn)行在不同的工況下，其TPS碳膜的不均勻磨損程度不同，使得節(jié)氣門開度值的測量出現(xiàn)偏差，影響汽車整體性能，甚至出現(xiàn)故障。

統(tǒng)計(jì)表明，TPS碳膜的前1/8至前1/3容易受到磨損［7］。這是因?yàn)轳{駛員在駕駛過程中一般采用較小油門開度造成的。特別當(dāng)汽車長期工作在城市工況時(shí)，頻繁的換擋加油更易使該區(qū)域的碳膜發(fā)生磨損。而郊區(qū)工況或長期在高速公路路況行駛的汽車則在全角度范圍內(nèi)出現(xiàn)均勻磨損［8］。

圖2 全新與磨損后TPS輸出電壓比較圖

對比磨損后TPS與全新TPS輸出可知，在相同的節(jié)氣門開度下，二者會(huì)得到不同的電壓輸出，從而引起電噴噴油量的不同。這就是TPS磨損后引起汽車性能改變的根本原因。

2 對比實(shí)驗(yàn)

由上節(jié)分析可知，不均勻磨損造成TPS輸出與全新TPS之間存在差異，從而引起電噴系統(tǒng)的噴油量出現(xiàn)差異。為了進(jìn)一步研究磨損后TPS對汽車性能的具體影響，擬在同一車輛上分別安裝全新的TPS及長期磨損后的TPS，通過動(dòng)態(tài)實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)及靜態(tài)NVH(Noise Vibration and Harshness，振動(dòng)、噪聲及聲粗糙度)實(shí)驗(yàn)，在盡量保證實(shí)驗(yàn)條件一致、車況一致及運(yùn)行工況一致的情況下獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果［9－10］，對比分析后得到 TPS對汽車性能影響程度的結(jié)論。

2.1 實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)

實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)時(shí)道路車流量及行人等諸多外界環(huán)境因素影響，但它最接近車輛實(shí)際使用情況，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也最具真實(shí)性。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)是隨機(jī)選取的一條市內(nèi)公共道路，為保證實(shí)驗(yàn)的可比性并盡量減少外界因素的干擾，實(shí)驗(yàn)時(shí)由同一駕駛員駕駛實(shí)驗(yàn)車在該路段相對車流量一致的情況下進(jìn)行。

圖3為安裝了全新TPS的實(shí)驗(yàn)車在道路實(shí)驗(yàn)過程中TPS的輸出信號，Y軸為TPS的輸出電壓值，對應(yīng)為節(jié)氣門開度。

圖3 實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)中全新TPS的輸出

圖4為安裝了長期磨損后TPS的實(shí)驗(yàn)車道路實(shí)驗(yàn)過程中TPS的輸出信號。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在城市道路中進(jìn)行的，屬于城市工況，所以在對比實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該選取長期工作在城市工況下磨損的TPS。為此專門設(shè)計(jì)了TPS的專用磨損機(jī)構(gòu)，將該機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)幅度控制在30°范圍內(nèi)并來回運(yùn)動(dòng)20萬次模擬實(shí)際磨損的情況。

圖4 實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)中長期磨損后TPS的輸出

對比圖3和圖4可知，節(jié)氣門維持在某一開度時(shí)，全新TPS的輸出信號波動(dòng)幅度很小，而磨損后TPS的輸出信號波動(dòng)幅度則較大，信號中所含噪聲也很明顯，如上兩圖中圈出所示。當(dāng)波動(dòng)幅度大的TPS信號輸送給ECU后，信號中的噪聲會(huì)引起ECU噴油量的波動(dòng)并影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體控制，進(jìn)而直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、噪聲增大、汽車動(dòng)力不足等問題。

2.2 NVH 實(shí)驗(yàn)

為客觀地說明磨損后TPS引起的汽車噪聲加劇等問題，采用汽車的NVH實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步測試。NVH主要是指汽車的噪聲(Noise)、振動(dòng)(Vibration)和聲振粗糙度(Harshness)［11］，由于聲振粗糙度描述的是人的一種主觀感覺，不能客觀地測量，因而本文設(shè)計(jì)的NVH實(shí)驗(yàn)主要用利用噪聲和振動(dòng)這兩個(gè)指標(biāo)來評價(jià)磨損后的節(jié)氣門位置傳感器對汽車性能的影響程度。

(1)怠速工況下的噪聲及振動(dòng)測試

在怠速工況下，分別采集安裝了全新TPS及前述模擬城市工況磨損了大約20萬次TPS的汽車的噪聲信息，并選取汽車前左、前右、后懸置三個(gè)測試點(diǎn)測量汽車的振動(dòng)信息［12］，測量結(jié)果如圖5及圖6所示。

圖5 怠速工況下NVH噪聲測試結(jié)果

從圖5中可以明顯的看出，安裝磨損20萬次后的TPS其怠速噪聲上升了0.5 dB。對該噪聲進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖5(b)所示，可見安裝磨損后TPS的怠速噪聲明顯增大，并在500 Hz時(shí)怠速噪聲的影響達(dá)到最大。

圖6為前左、前右、后懸置三個(gè)測試點(diǎn)在x、y、z方向上的振動(dòng)測試結(jié)果。從圖6中可以看出，磨損20萬次后的TPS相比全新TPS而言，加劇了汽車在怠速工況下的振動(dòng)，特別是汽車前部的振動(dòng)，在500 Hz處對汽車振動(dòng)的影響達(dá)到最大，此處加速度值發(fā)生跳變，其中前左測試點(diǎn)在x、y、z三個(gè)方向加速度基本都達(dá)到了0.04 gn，而前右測試點(diǎn)在 x、y、z三個(gè)方向上的加速度也都達(dá)到了0.03 gn。

圖6 怠速工況下NVH振動(dòng)測試結(jié)果

(2)加速工況下的噪聲及振動(dòng)測試

按照怠速工況的測試及布點(diǎn)方法進(jìn)行加速工況下的噪聲及振動(dòng)測試，測量結(jié)果如圖7及圖8所示。

從圖7的測試結(jié)果中可得到與怠速工況一致的結(jié)論，即在加速工況下，磨損20萬次后的TPS對汽車噪聲也有較明顯增大作用，尤其從圖7(c)的坎貝爾圖可以看到，磨損20萬次后的TPS在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 173 rot/min、頻率為793 Hz時(shí)，引入了一個(gè)噪聲峰值。

從圖8可以看出，磨損的TPS對汽車加速振動(dòng)整體沒有特別劇烈的影響，但在某些頻率點(diǎn)也加劇了汽車的振動(dòng)，如后懸置測點(diǎn)在x方向上2 200 Hz處時(shí)，振動(dòng)加速度突變了5 gn左右，這會(huì)引起汽車很大的振動(dòng)。

圖7 加速工況下NVH噪聲測試結(jié)果

圖8 加速工況下NVH振動(dòng)測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有廣泛使用的線性電阻式節(jié)氣門位置傳感器長期運(yùn)行后容易磨損的角度出發(fā)，分析其磨損機(jī)理，得到非均勻磨損造成傳感器輸出信號出現(xiàn)偏差的結(jié)論，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)汽車道路試驗(yàn)和靜態(tài)NVH試驗(yàn)，分別采用一個(gè)全新的和在城市工況下磨損20萬次后的TPS在相同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。在怠速工況下，裝有磨損20萬次TPS的汽車噪聲輸出上升了0.5 dB左右，在500 Hz時(shí)，噪聲和振動(dòng)均達(dá)到最大，前左、前右的振動(dòng)加速度均發(fā)生了跳變;在加速工況下，頻率為793 Hz時(shí)引入了一個(gè)噪聲峰值，汽車整體振動(dòng)加速度雖然沒有發(fā)生劇烈變化，但在x方向上頻率為2 200 Hz時(shí)，后懸置測點(diǎn)的振動(dòng)加速度突變了5 gn左右，帶來了很大的振動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磨損后的TPS會(huì)導(dǎo)致汽車噪聲增加、振動(dòng)加劇，進(jìn)而可能引起汽車駕駛性能下降、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、汽車動(dòng)力不足等問題。

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